[发明专利]燃料电池膜电极及其制备方法、质子交换膜燃料电池

说明书

本申请涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法、质子交换膜燃料电池，属于质子交换膜燃料电池技术领域。该燃料电池膜电极包括质子交换膜以及设置在质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层。阴极催化剂层包括催化剂粉、石墨化碳粉和树脂；其中，催化剂粉为碳载金属催化剂，催化剂粉中的碳粉的比表面积大于石墨化碳粉的比表面积；石墨化碳粉上不负载金属催化剂，催化剂粉中的碳粉与石墨化碳粉的质量比为(2‑4):2。该膜电极在保留了催化剂的高活性同时又提高了催化剂碳载体的耐腐蚀性能，使膜电极的耐久性能更佳。

技术领域

本申请涉及质子交换膜燃料电池技术领域，且特别涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法、质子交换膜燃料电池。

背景技术

膜电极是燃料电池电堆的一个重要组成部件，是电化学反应发生的场所。膜电极包括质子交换膜，位于质子交换膜阴极侧的阴极催化剂层，位于质子交换膜阳极侧的阳极催化层，位于阴极催化剂层背离质子交换膜的阴极扩散层，以及位于阳极催化剂层背离质子交换膜的阳极扩散层。其中，阴极催化剂层和阳极催化剂层中的催化剂的催化活性直接影响着电堆的输出性能。质子交换膜燃料电池在车辆实际运行中，由于启停工况下易形成氢空界面，形成高电位后可能发生碳腐蚀，进而使催化剂的催化活性降低，引起燃料电池性能下降。因此，提高催化剂的载体的耐久性是非常重要的。

目前市面上商业化的燃料电池用催化剂载体通常是碳粉，碳材料具有高的比表面积，好的分散性，高的导电性能以及好的传热传质等特性，在燃料电池催化剂中可以大大提高贵金属Pt的电化学表面积，提高Pt的利用率，减少Pt的用量，进一步降低燃料电池的成本。随着人们对电池输出功率的要求越来越高，对膜电极催化剂的活性也越来越高，为了得到高的电化学活性，选用具有高比表面积的碳载体是一个较佳选择，但同时也带来了另一个亟待解决的问题，高比表面积的碳载体对高电位的耐腐蚀性能较差，经过短时间的高电位循环就会出现碳载体坍塌，Pt流失，导致膜电极输出性能急速下降的结果。

为了解决碳载体易腐蚀的问题，得到高性能高耐久性的催化剂，人们也做了一些研究，比如，将高比表面积的碳载体换成石墨化的碳载体，最后发现，催化剂载体的耐久性有所提高，但是由于石墨化的碳表面较光滑，Pt颗粒流失后很难再在其表面沉积，膜电极的性能降低，达不到技术指标的要求。还有研究者将高比表面积碳粉进行高温处理，想以此提高催化剂的耐腐蚀性，但碳载体是多孔结构，经过高温处理后，大量的微孔发生了塌陷，最终造成比表面积降低，降低了催化剂的负载。

发明内容

由于催化剂碳载体在车辆启停过程中可能发生碳腐蚀现象，对催化剂造成不可逆的损害，极大程度的降低了催化剂的活性，降低燃料电池的输出性能。而如果使用石墨化碳作为载体，其耐腐蚀性能虽然增强，但其催化活性会受到影响。所以，在催化剂制备过程中，高活性和高耐久性是两个互相矛盾的方向，两者不能同时具备高的特性。

针对现有技术的不足，本申请实施例的目的包括提供一种燃料电池膜电极及其制备方法、质子交换膜燃料电池，在提高催化剂耐久性的同时使催化剂的活性不会降低。

第一方面，本申请实施例提供了一种燃料电池膜电极，包括质子交换膜以及设置在质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层。阴极催化剂层包括催化剂粉、石墨化碳粉和树脂；其中，催化剂粉为碳载金属催化剂，催化剂粉中的碳粉的比表面积大于石墨化碳粉的比表面积；石墨化碳粉上不负载金属催化剂，催化剂粉中的碳粉与石墨化碳粉的质量比为(2-4):2。

燃料电池在启停过程中，在阴极会出现短暂的高电位的情况，此时，高比表面积高活性的碳载金属催化剂中的碳载体容易发生腐蚀，造成催化层结构的破坏，电池不可逆的性能衰减。而在阴极催化剂层中加入石墨化碳粉后，在高电位下，高比表面积碳和石墨化碳同时都会发生腐蚀，但由于高表面积的碳载体外面被金属颗粒覆盖的面积较大，而石墨化碳粉则完全裸露在外面，碳腐蚀的反应需要有水的参与，石墨化碳裸露在外面直接和水接触，所以，更多的石墨化碳被腐蚀，从而减小了高比表面积碳载体的腐蚀程度。在保留了催化剂的高活性同时又提高了催化剂碳载体的耐腐蚀性能，使膜电极的耐久性能更佳。